organic solar cells 资讯材料Word下载.docx

organic solar cells 资讯材料Word下载.docx

《organic solar cells 资讯材料Word下载.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《organic solar cells 资讯材料Word下载.docx（17页珍藏版）》请在冰点文库上搜索。

这个时代的有机太阳能电池所采用的有机材料，主要还是具有高可见光吸收效率的有机染料。

这些染料通常也被用作感光材料，这自然是柯达的强项。

邓青云的器件之核心结构是由四羧基苝的一种衍生物（邓老管它叫PV）和铜酞菁（CuPc）组成的双层膜。

双层膜的本质是一个异质结，邓老的思路是用两种有机半导体材料来模仿无机异质结太阳能电池。

他制备的太阳能电池，光电转化效率达到1％左右。

虽然还是跟硅电池差得很远，但相对于以往的肖特基型电池却是一个很大的提高。

这是一个成功的思路，为有机太阳能电池研究开拓了一个新的方向，时至今日这种双层膜异质结的结构仍然是有机太阳能电池研究的重点之一。

　　双层膜异质结型有机太阳能电池的结构如图2所示。

作为给体的有机半导体材料吸收光子之后产生空穴－电子对，电子注入到作为受体的有机半导体材料后，空穴和电子得到分离。

在这种体系中，电子给体为p型，电子受体则为n型，从而空穴和电子分别传输到两个电极上，形成光电流。

与前述“肖特基型”电池相比，此种结构的特点在于引入了电荷分离的机制。

与硅半导体相比，有机分子之间的相互作用要弱得多，不同分子之间的LUMO和HOMO并不能通过组合在整个体相中形成连续的导带和价带。

载流子在有机半导体中的传输，需要经由电荷在不同分子之间的“跳跃”机理来实现，宏观的表现就是其载流子迁移率要比无机半导体低得多。

同时，有机小分子吸收光子而被激发时，不能像硅半导体那样在导带中产生自由电子并在价带中留下空穴。

光激发的有机小分子，产生的是通过静电作用结合在一起的空穴－电子对，也就是通常所说的“激子（Exciton）”。

激子的存在时间有限，通常在毫秒量级以下，未经彻底分离的电子和空穴会复合（Recombination），释放出其吸收的能量。

显然，未能分离出自由电子和空穴的激子，对光电流是没有贡献的。

以故有机半导体中激子分离的效率对电池的光电转化效率有关键的影响。

　　对于肖特基型电池来说，激子的分离效率却很成问题。

光激发形成的激子，只有在肖特基结的扩散层内，依靠节区的电场作用才能得到分离。

其它位置上形成的激子，必须先移动到扩散层内才可能形成对光电流的贡献。

但是有机染料内激子的迁移距离相当有限，通常小于10纳米。

所以大多数激子在分离成电子和空穴之前就复合掉了。

在有机电池中引入异质结的结果，则是明显的提高了激子分离的效率。

电子从受激分子的LUMO能级注入到电子受体的LUMO能级，此过程本质上就是激子的分离。

两层有机膜之间的界面不是平整的。

在制备过程（热蒸发－沉积，或者溶液旋涂法）两层膜总会形成一种互穿的结构，从而界面有较大的面积。

在给体材料的体相中产生的激子，通过扩散可以较容易地到达两种材料的界面，将电子注入受体材料的LUMO能级以实现电荷分离。

同时，许多研究表明，受体材料亦可以吸收相应频率的光子形成激子，再将其HOMO能级上的空穴反向注入到给体材料的HOMO能级中。

因此，激子可以同时在双层膜的界面两侧形成，再通过扩散在界面上得到分离。

总之，相对于肖特基型电池，采用给体－受体双层膜结构可以显著地提高激子的分离效率。

　　到了1992年，土耳其人Sariciftci（读作萨利奇夫奇）在美国发现，激发态的电子能极快地从有机半导体分子注入到C60分子（其结构如图3）中，而反向的过程却要慢得多。

也就是说，在有机半导体材料与C60的界面上，激子可以以很高的速率实现电荷分离，而且分离之后的电荷不容易在界面上复合。

这是由于C60的表面是一个很大的共轭结构，电子在由60个碳原子轨道组成的分子轨道上离域，可以对外来的电子起到稳定作用。

因此C60是一种良好的电子受体材料。

1993年，Sariciftci在此发现的基础上制成PPV/C60双层膜异质结太阳能电池。

PPV通常叫作“聚对苯乙烯撑”，是一种导电聚合物（关于导电聚合物将另文详述），也是一种典型的P型有机半导体材料。

此后，以C60为电子受体的双层膜异质结型太阳能电池层出不穷。

　　随后，研究人员在此类太阳能电池的基础上又提出了一个重要的概念：

混合异质结（体异质结）。

“混合异质结（体异质结）”的英文写作“BulkHeterojunction”，这里是我自己的译法，感觉意思上还算准确。

“混合异质结（体异质结）”概念主要针对光电转化过程中激子分离和载流子传输这两方面的限制。

双层膜太阳能电池中，虽然两层膜的界面有较大的面积，但激子仍只能在界面区域分离，离界面较远处产生的激子往往还没移动到界面上就复合了。

而且有机材料的载流子迁移率通常很低，在界面上分离出来的载流子在向电极运动的过程中大量损失。

这两点限制了双层膜电池的光电转化效率。

　　而所谓“混合异质结”，就是将给体材料和受体材料混合起来，通过共蒸或者旋涂的方法制成一种混合薄膜。

其结构如图4所示，给体和受体在混合膜里形成一个个单一组成的区域，其中蓝色代表电子给体，黄色代表电子受体。

在任何位置产生的激子，都可以通过很短的路径到达给体与受体的界面（即结面），从而电荷分离的效率得到了提高。

同时，在界面上形成的正负载流子亦可通过较短的途径到达电极，从而弥补载流子迁移率的不足。

符合要求的电极应当是选择性的电极。

也就是说，当给体与负极接触时，给体不能把空穴传输给负极。

在混合异质结中，像这样的接触事实上是避免不了的。

此种结构最理想状态自然是所有的给体相都能与正极接触，同时所有的受体相都能与负极接触。

在非理想状态下，未能与正极接触的给体相上出现的正电荷是不能传输到电池的正极上的，因而这种结构亦非尽善尽美。

不过相对于双层膜电池，此种结构的效率提高亦相当明显，目前有机太阳能电池中的最高效率纪录仍由混合异质结型电池保持。

发出将有机薄膜太阳能电池效率提高至5.6％的新方法

默认分类2009-12-2410:

37阅读1评论0字号：

大大中中小小美国芝加哥近郊的西北大学（NorthwesternUniversity）研究小组宣布，在不改变有机薄膜太阳能电池半导体层结构的前提下，仅对正极进行涂布处理，便将单元转换效率由原来的3～4％提高到了5.2～5.6％。

美国国家科学院院刊（ProceedingsoftheNationalAcademyofSciences）的网络版刊登了该论文。

有机薄膜太阳能电池领域，2007年7月曾有报告说实现了6.5％的单元转换效率。

此次的方法可用来进一步提高现有的成果。

有机薄膜太阳能电池的用途是，通过与有机EL具有相同构造的有机半导体实现太阳能发电。

美国西北大学此前曾开发出从正极到负极采用ITO/P3HT:

PCBMF/Al结构的太阳能电池。

PCBM为n型富勒烯（C612）衍生物，P3HT为p型有机半导体。

美国西北大学此次采用PLD（脉冲激光沉积法）法，在正极上涂布了厚度仅数nm～数十nm的氧化镍（NiO）。

其后，通过旋转涂布法层叠了P3HT等半导体层。

氧化镍层有望发挥空穴输送和电子拦截的作用，也就是半导体层在光照下产生的电子和空穴中，把空穴高效输送至正极，同时拦截电子，减少导致能量散失的再结合。

　通过研究厚度在5～77nm间的氧化镍层，发现在5～10nm厚时效果最佳，使原来3～4％的单元转换效率提高到了5.2～5.6％。

另外，开放电压也提高了4成。

后将在进一步改善空穴输送层的同时，致力于开发采用卷对卷印刷方法的柔性底板太阳能电池的量产技术。

德Heliatek有机薄膜太阳能电池的转换效率亦达6％

2009-09-0414:

10

德国HeliatekGmbH宣布，其有机薄膜太阳能电池的转换效率达到了6.07％。

测量值已由德国FraunfoferISE认证。

此前已有几家公司宣布有机薄膜太阳能电池的转换效率超过6％，而此次有机薄膜太阳能电池以单元开口部面积稍大，为2cm2为特征（参阅本站报道1，英文发布资料）。

　　该太阳能电池采用基于低分子材料的串联结构。

是在德国德累斯顿工业大学（TechnicalUniversityofDresden）的InstituteofAppliedPhotoPhysics（IAPP）的协助下开发的（报道2）。

Heliatek的目标是今后几年内使转换效率达到10％。

　　该公司将在2009年9月21～25日于德国汉堡举办的太阳能电池技术国际会议“24thEUPVSEC（European

有机太阳能电池转换率竞争白热化，企业纷纷涉足

美国英特尔2009年6月成立了生产太阳能电池的新公司SpectraWatt，宣布涉足太阳能发电业务。

英特尔2008年下半年在美国俄勒冈州建设了工厂，预定在2009年中期前开始供货。

SpectraWatt表示，将把生产的太阳能电池供应给太阳能发电装置企业。

英特尔在从事现行太阳能电池业务的同时，还在该公司主办的展会上作为新一代技术展示了有机太阳能电池的试制品。

虽然并未公布研究细节及成果，但从解说展板来看，产品为有机太阳能电池中也由p型和n型有机半导体构成的有机薄膜太阳能电池。

材料和体异质结构造（通过混合p型半导体和n型半导体分子形成的三维p-n结构造）为有机薄膜太阳能电池中的常见做法，但通过改进电极，提高了特性。

连最大的半导体厂商英特尔也开始研究的有机太阳能电池到底具有怎样的可能性呢？

简单地说，与此前见到的有机TFT驱动的显示器及有机EL照明等有机器件一样，有机太阳能电池的形状及外观自由度高，通过使用印刷技术，有望大幅降低加工成本。

与其他有机器件一样，有机太阳能电池也存在性能及寿命低的瓶颈问题。

但其独特之处在于，已有风险企业在开拓在性能及寿命较低情况下也可实现的应用，并着手实施量产。

限定用途的量产

有机太阳能电池分色素增感型和有机薄膜型两种，首先开始量产的是色素?

感型。

英国风险企业G24Innovations（G24i）已从2007年10月起采用卷对卷式印刷技术以25MW/年的规模开始量产柔性色素?

感型太阳能电池模块。

该公司设想的用途是手机及小型个人电脑的便携充电器，产品已于2008年上市。

充电器的价格为20～40美元，销售对象是电力基础设施建设相对滞后的印度、中国、非洲及南美等新兴市场国家和地区。

继G24i之后，日本PeccellTechnologies也于2008年11月开始样品供货采用柔性底板的色素?

感型太阳能电池模块，并计划在2009年春季以后采用卷对卷方式以1MW/年的规模实施量产。

该公司最初锁定的用途是家电辅助电源市场。

继色素增感型太阳能电池之后，美国科纳卡技术（KonarkaTechnologies）开始量产有机薄膜太阳能电池。

该公司于2008年开始量产薄膜底板仅厚100μm的有机薄膜太阳能电池模块“PowerPlastic”。

制造时采用基于卷对卷及喷墨方式的印刷技术。

该公司不打算单独上市太阳能电池模块，而是销售应用有机薄膜太阳能电池的产品。

科纳卡技术在2009年2月于日本举行的“PVEXPO2009第二届国际太阳能电池展”上展出了利用卷对卷方式制造的多种有机薄膜太阳能电池模块。

展示了利用柔性特点封装于皮包中，或作为电子纸的电源加以利用的试制品。

不过，上述量产的现在的有机太阳能电池性能及寿命还较低，转换效率估计在3％左右。

最高数值接连公布

因此，为了实现与目前主流的硅类太阳能电池相同的应用，各研究机构提高性能及寿命的研发日趋活跃。

近年来尤为突出的是不断有报告称在有机薄膜太阳能电池的转换效率上获得了最高数值。

2007年7月，美国加利福尼亚大学在科学杂志《科学（Science）》上公布，“单元转换效率达到了全球最高的6.5％”。

在日本厂商中，住友化学2009年2月也宣布获得了6.5％的转换效率。

另外，东丽在2009年3月举行的春季应用物理学相关联合演讲会上宣布，通过新开发p型（施主）有机半导体材料，使转换效率达到了5.5％。

该p型有机半导体材料的要点为两个方面：

（1）通过加大与n型（受主）有机半导体材料的能级（空间电位）差，实现了约1V的高开路电压；

（2）通过涂覆与n型半导体材料的分散混合液形成pn结时，能够扩大单位体积中pn结界面的表面积。

该公司将力争在2015年前使转换效率达到7％。

大日本印刷于2009年6月宣布，通过在电阻较大的透明电极上安装辅助电极，减小了损耗，使有机薄膜太阳能电池5cm见方单元的能量转换效率达到了4％以上。

第三种制作方法：

“涂布转换型”

有机薄膜太阳能电池按照材料及制造工艺分类，大致有两种，一种是通过蒸镀不溶于溶媒的低分子有机半导体制成，另一种通过涂布可溶于溶媒的高分子制成。

前者在有机器件的优点——可采用印刷技术制造方面存在不利因素，而后者则在选择可溶于溶媒的材料时存在限制。

因此，近年来一种称为“涂布转换型”的方法引起了关注，该方法通过用可溶于溶媒的前驱体进行涂布后加热，然后在结构上转换成具有半导体特性的材料。

比如，三菱化学与“ERATO中村活性碳簇项目”合作，共同开发出了以聚3-己基噻吩为有机半导体，并结合使用富勒烯衍生物作为n型半导体的涂布转换型有机薄膜太阳能电池。

聚3-己基噻吩前驱体可溶于溶媒制成墨水，在涂布后进行加热，便可在结构上转换成具有半导体特性有材料。

目前已获得4.5％的转换效率，今后力争2010年度达到10％，2015年度达到15％。

该研究小组认为，要想使转换效率达到15％，需要采用串联结构。

高分子涂布型难以嵌入串联结构所需要的层叠结构，而如果是涂布转换型的话，通过在涂布后加热便可形成不溶于溶媒的层，因此能够制成层叠结构，实现串联结构正是其优点之一。

采用叠层结构的有机太阳能电池

美国国家标准局（NIST，马里兰州Gaithersburg）最新的研究成果——一种新型的具有商业价值的太阳能电池——使太阳能电池更加接近于实际应用。

NIST的科研人员对复杂的有机光电材料进行了深入的研究，这种新材料是有机光电器件的核心部分。

有机光电器件依靠有机物分子将吸收到的太阳光转化为电能，相对于传统的硅材料电池具有显著的优势，因而成为研究的热点。

有机太阳能电池的原料为一种类似墨水的物质，将其涂覆在柔性表面从而制造出能够覆盖大面积的太阳能电池模块，这个过程与展开一卷地毯类似。

有机太阳能电池制造成本更加低廉，并且易于为多种功耗应用所采纳，但是，要真正应用到实际还需要对该技术进行改进。

图中所示为有机光电器件的剖面图，光线穿过上层材料后会在有机材料与富勒烯（polymer-fullerene）的混合层中形成光电流。

有机材料（棕色）与富勒烯（蓝色）形成的通路保证电流能够流向位于底层的电极。

研究结果揭示了导电通道形成的最新信息，这将为提高电池光电转化效率提供帮助。

（来源：

NIST）

不同种类太阳能电池的转化效率相差很大，这主要取决于太阳能电池单元的制造工艺。

单晶硅太阳能电池是在由单晶硅棒切割而成的厚度为200微米的硅片上制造的，处于试验阶段的电池的转化效率已经接近24%，商用模块的转化效率也已经超过15%。

多晶硅太阳能电池是在多晶硅锭切片上进行加工，因而制造成本低廉，但同时电池的转化效率也低于单晶硅电池。

目前，处于实验室阶段的多晶硅电池的转化效率达到了18%，商用模块的转化效率接近14%。

典型的太阳能电池模块的使用寿命可以达到20年左右。

从转化效率和使用寿命的角度来看，即使是目前性能最佳的有机物太阳能电池，光电转化效率也未达到6%，使用寿命也仅有几千个小时。

NIST的DavidGermack表示：

“工业界普遍认为，当该太阳能电池的转化效率超过10%，同时使用寿命达到10000小时后，这项技术将会被以更快的速度被采用。

”如何对电池进行优化，关键在于了解材料内部的变化，但我们对于这方面的研究还处于起步阶段。

近期，NIST的研究团队对材料的研究已经取得了突破性的进展，采用新型有效的测试方法揭示了如何控制有机光电材料合成的方法。

有机光电器件制造工艺中所用的“墨”通常是由能够吸收太阳光（通过太阳光照射使材料释放电子）的有机物材料与富勒烯混合而成，富勒烯是一种由碳原子构成的球形分子，主要用于收集电子。

当“墨”涂覆到表面后，有机材料和富勒烯的混合物会硬化形成薄膜，硬化过程中，有机材料所形成的随机网络与富勒烯通道（如图所示）混合在一起。

对于常规器件，理想状况的有机物网络要能够完全接触到薄膜下表面，而富勒烯通道则将与上表面接触，从而电流能够沿着正确的方向流出器件。

尽管如此，如果在有机物与薄膜下表面之间形成富勒烯阻挡层，电池的光电转化效率将会降低。

通过测量薄膜界面对X光的吸收情况，NIST发现通过改变电极表面的特性，可以使其排斥富勒烯（就好象油排斥水一样）同时吸引聚合物。

这样，界面的电学性能也会发生显著的变化。

最终的结构将提高光电流到达恰当电极的几率，同时降低富勒烯在薄膜底部的沉积，这两方面都将使太阳能电池的光电转化效率或者寿命得到改善。

Germack表示：

“针对薄膜的边缘，我们已经确定了一些需要进行优化的重要参数，这也意味着整个行业将着手对太阳能电池整体性能进行优化。

”

目前，NIST的研究人员根据其对薄膜边缘的了解，开始对整个薄膜内部的反应进行研究。

这方面的知识对于研究有机太阳能电池的工作原理以及老化过程，以及如何延长其使用寿命至关重要。

Solarmer塑料太阳能电池获得经NREL认证的7.9%效率

OrganicphotovoltaicsdeveloperSolarmerEnergyhasachievedthehighestconversionefficiencyrecordedsofarforaplasticOPVchampioncell—7.9%.Theaperture-areatestresults,recentlycertifiedbytheU.S.DepartmentofEnergy’sNationalRenewableEnergyLaboratory,representanimprovementoverindependentexamsconductedafewmonthsagoatNewportCorp.’sTechnologyandApplicationCenter’sPVLab,wherecellefficienciesof7.6%andmoduleefficienciesof3.9%wererecorded.

YueWu,Solarmer’sdirectorofproductiontechnology,toldPV-TechthattheElMonte,CA-basedcompanysenttwosamplescomprisedoffour0.1cm2 

cellstothenationallab.Apertureareasof0.047cm2 

werethencreatedonthecellsbeforethemeasurementsweretaken.Inadditiontotheefficiencynumbers,afillfactorof70.87%wasseen.

ThelatestefficiencyresultscomparefavorablywiththegoalssetbySolarmerayearago,accordingtoWu.“Wehadaplanandfolloweditexactly;

actually,theresultswerealittlehigherthan[we]expected.” 

“It’sthebestorganicdevicewe’veseentodate,period,”saidindustryveteranKeithEmery,whomanagesNREL’sPVcellandmoduleperformanceandcharacterizationteam.“That’samilestoneforthetechnologyinandofitself,soweupdatedthechartwherewekeepefficiencyversustimeatthecelllevelforvarioustechnologies.Thisisanewpointonthatplot.”

EmerytoldPV-Techthat“it’sreallynicetoseeSolarmermakingsuchasteadyimprovement.Theirrateofimprovementisnotslowingdown,andthere’snoreasontobelievetheywon’tbemakingbettercellsinanotherfewmonths.”

Thecompany’sroadmapcallsfortheachievementof10%conversionefficienciesonitsOPVcellsbytheendof2010.

Solarmer’sWu,whowillbepresentingthenewdataandothercompanyupdatesatthePrintedElectronicsUSA/Photovoltaics2009eventinSanJosethisweek,saidthatthecompanyis“buildingitspilotlinerightnow.” 

Theroll-to-roll“proofofmanufacturability”linewillbeoperationalby“themiddleofnextyear”orsooner,andhebelieves“wewil